环境腐蚀因素的电化学测定综合实验报告

实验4.1: 环境腐蚀因素的电化学测定综合实验

一、实验目的

1. 了解和掌握常用金属材料在不同环境条件中的腐蚀性强弱和主要腐蚀形态 2. 掌握影响材料环境失效的主要腐蚀因素 3. 掌握主要环境腐蚀性因素强弱的测试方法

二、实验内容

选取不同材料、不同介质分别进行以下实验： 1.用酸度计测量所选介质的pH值；

2.采用浸泡实验观察试验材料在不同介质中的腐蚀形态，判断腐蚀类型； 3. 测量发生均匀腐蚀材料的失重或增重，计算腐蚀速度； 4. 测量试验材料在不同介质中的φ－t曲线

三、实验原理

金属与周围环境之间发生化学或电化学作用而引起的破坏或变质，称之为金属腐蚀。也就是说，金属腐蚀发生在金属与介质间的界面上。材料究竟发生什么样的腐蚀、腐蚀的强弱主要取决于材料及其周围介质的性质。不同的材料或不同设备工艺的同一种材料在同一介质中其腐蚀性不同；同一材料在不同环境中（如温度、pH值、浓度不同）其腐蚀性也会有很大的差别。腐蚀类型很多，也有多种分类方法。如果按材料腐蚀后的外观特征分类：当腐蚀均匀地发生在整个材料表面，称为均匀腐蚀或全面腐蚀；当腐蚀集中在某些区域，则称为局部腐蚀。局部腐蚀又可分为电偶腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、剥蚀、选择性腐蚀等。 金属腐蚀发生的根本原因是其热力学上的不稳定性造成的，即金属及其合金较某些化合物原子处于自由能较高的状态，这种倾向在条件具备时，就会发生金属单质向金属化合物的转变，即发生腐蚀。发生化学腐蚀时，被氧化的金属与介质中被还原的物质之间的电子是直接交换的。发生电化学腐蚀时，金属的氧化和介质中某物质的还原是在不同地点相对独立地进行的两个过程，并且和流过金属内部的电子流和金属所处介质中的离子流形成回路，即金属的电化学腐蚀是通过腐蚀电池进行的，它是金属腐蚀中最常见最重要的类型。 在腐蚀过程中发生的腐蚀电池反应如下： 阳极反应： M-ne- → M n+ 阴极反应：Ox+ne- → R 总反应：M+Ox→Mn++R

式中：Ox 为氧化剂，R为还原剂

在大多数情况下，氧化剂通常由水中溶解的氧或氢离子承担，阴极反应为：

1/2O2+H2O+2e → 2OH- 或 H++e → 1/2H2

金属与电解质接触时，在金属与溶液界面将产生一电位差，这一电位差值会随时间不断变化，最后达到一稳定值，通常称之为稳态自腐蚀电位Ecorr。测量腐蚀体系的稳态自腐蚀电位Ecorr以及自腐蚀电位随时间变化（E-t曲线）是判断腐蚀过程的重要方法，可以解释腐蚀现象和研究腐蚀行为。

虽然实际的腐蚀体系千变万化，但一般来说，电极电位的变化常常能反映金属表面膜的形成过程和稳定性、腐蚀速度是否恒定以及是否出现局部腐蚀等。如果电位随时间的变化趋于“正”，常常表示保护膜增强了，相反地，如果E-t曲线向“负”变化，常常表明金属表面保护膜被破坏。均匀腐蚀时，电极电位随时间的变化是较为缓慢的，而若出现局部腐蚀，电极电位通常会发生突变。

通过测定某材料在介质中的电位随时间变化曲线，可以判断该材料在介质中发生腐蚀倾向，将不同的材料在同一介质中最终得到的稳态自腐蚀电位Ecorr按由低到高的顺序排列，就可得到各种金属在某种溶液中的腐蚀电位序。从金属在腐蚀电位序中的位置，可以判断两种金属在指定的电解液中相接触时，哪种金属可能发生腐蚀。对于金属在介质中发生的均匀腐蚀，一般采用重量法测定其腐蚀速度。所谓重量法就是试验金属在一定的环境与条件下，经过腐蚀介质一定时间的作用后比较腐蚀前后该材料的重量变化，从而确定腐蚀速度的一种方法。根据腐蚀产物容易去除和完全牢固的附着在试片表面的情况，可分别采用单位时间、单位面积上金属腐蚀后的重量损失或重量增加来表示腐蚀速度。 V失= W0-W1/St V增= W2-W0/St

式中V失、V增为腐蚀速度（g／m2h），S为试样表面积（m2）；t为腐蚀时间（h），W0为试样腐蚀前的重量；W1为试样清除腐蚀产物后的质量，W2为带有腐蚀产物的试样重量。金属的腐蚀速度在腐蚀过程中并非恒速地进行，也就是说，其瞬间的腐蚀速度可能发生变化，因此用重量法计算腐蚀速度只是平均腐蚀速度。此外，由于各种金属材料的密度不同，即使是均匀腐蚀，这种腐蚀速度单位并不能表征腐蚀损耗深度。为此可将平均腐蚀速度换算成单位时间内的平均腐蚀深度，则计算公式如下： D深= ＝8.76V/ρ

式中D深为以腐蚀深度表示的腐蚀速度（mm/a）；V为按重量法计算的腐蚀速度（g/m2h）；ρ为金属的密度（g/cm3），8.76为单位换算系数。 四、实验条件

1.材料：碳钢、不锈钢、铝合金、锌、自备；

2.环境条件：20％H2SO4、20％HNO3、3％NaCl、5％NaOH、室温25℃、高温50℃ 4. 仪器：PHS-3C 酸度计 分析天平（精确到0.1mg） 电子天平（精确到0.1mg） 数字电压表

五、实验步骤

1.腐蚀形态的观察及腐蚀速度测量

（1）试样准备：

准备三种待测溶液和6块同一种待测材料，试样尺寸为50 20 mm，将试样打号以示区别。用360#水砂纸、600#水砂纸打磨至均匀光亮

（2）游标卡尺准确测量试样尺寸，根据测量结果准确计算每块试样的面积，作好记录； （3）试样表面用去污粉除油，自来水冲洗干净，滤纸吸干，吹风机反复吹干，使试样完全干燥冷却；

（4）将干燥后的试样于天平上称重，准确度应达到0.1mg； （5）将三种待测溶液分别量取800ml于1升烧杯中，将试样按编号分成3组，每两个一组，用塑料丝悬挂浸入待测溶液中，注意待测试样应全部浸入溶液，每个试样浸入深度要大体一致，试样上端应在液面下20mm；

（6）自试样浸入溶液开始记录时间，观察试样表面变化及溶液介质变化情况，1小时后取出，用自来水清洗干净；

（7）观察腐蚀产物的颜色、分布情况及与表面结合是否牢固;

（8）对于腐蚀产物易清洗的试样，在产物清洗液中清除腐蚀产物，除净后用流动自来水和蒸馏水将试样清洗干净，滤纸吸干，吹风机反复吹干，冷却； （9）观察腐蚀形态，干燥后的试样再次在天平上称重，作记录； （10）根据计算公式计算腐蚀速率及年腐蚀深度。

2.pH值及φ-t曲线的测定

2.1试验溶液pH值的测定：

（1）开机

打开电源开关，指示灯亮，预热30分钟 （2）标定

a. 将选择开关旋钮调到pH档；

b. 调节温度补偿旋钮，使旋钮白线对准溶液温度值； c. 把斜率调节旋钮顺时针旋到底（即调到100％位置）； d. 把用蒸馏水清洗过的电极插入pH=6.86的缓冲溶液中；

e. 调节定位调节旋钮,使仪器显示读数与该缓冲溶液当时温度下的pH值相一致。 f. 用蒸馏水清洗电极，再插入pH=4.00(或pH=9.18)的标准溶液中，调节斜率旋钮使仪器显示读数与该缓冲溶液中当时温度下的pH值一致；

g. 重复（d）-(f)步骤至不用再调节定位或斜率调节旋钮为止； h. 仪器完成标定，定位调节旋钮及斜率调节旋钮不应再有变动。 （3）测量

将电极用蒸馏水冲洗并用滤纸吸干，插入待测溶液中，摇动烧杯，使溶液均匀，在显示屏上读取溶液的pH值。测量完后用蒸馏水清洗电极头部，并用滤纸洗干。

2.2E－t曲线的测定

（1）试样准备

准备一种待测材料共3块，用360＃水砂纸、600＃水砂纸打磨至均匀光亮，用去污粉除油，蒸馏水冲洗，滤纸吸干。

（2）将待测试样分别浸入三种不同的试验溶液，自试样浸入溶液开始记时，每隔半分钟、1分钟、2分钟、5分钟用数字电压表测一次电位，记录电位随时间的变化。

六、实验结果的处理和讨论

1、观察试样在不同介质中的腐蚀形貌，判断腐蚀类型与强弱； 碳钢在硫酸中腐蚀30分钟：

现象：一方如即出现大量气泡；腐蚀后表面发黄、局部青黑、暗淡无光。 腐蚀类型：均匀腐蚀。 腐蚀强度：强 碳钢在氢氧化钠腐蚀1个小时：

现象：无明显现象；腐蚀后，反光能力下降，表面光泽较氯化钠腐蚀后更暗淡，局部发黄 腐蚀类型：均匀腐蚀。腐蚀强度：弱 碳钢在氯化钠中腐蚀1个小时

现象：无明显现象；腐蚀后，反光能力下降，局部发黄。 腐蚀类型：均匀腐蚀。腐蚀强度：弱

2、均匀腐蚀金属的腐蚀速度测试结果记录，如下表： 腐蚀编号 材腐蚀介时间料 质 t（h） 碳1 钢 碳2 钢 碳3 钢 碳4 钢 碳5 钢 碳6 钢 NaCl 1 11.2637 11.2637 0 0.001012 0 0 NaCl 1 11.066 11.0663 0.0003 0.00101297 -0.29615882 0.33218326 NaOH 1 11.1373 11.137 -0.0003 0.0009972 0.300842359 -0.3374365 NaOH 1 11.1231 11.123 -0.0001 0.000990016 0.101008469 -0.11329503 H2SO4 0.5 11.2505 11.2041 -0.0464 0.001005804 92.26449686 -103.487451 H2SO4 0.5 11.3622 11.3151 -0.0471 0.001009166 93.34436818 -104.6986767 W0（g） W（g） （g） 试件原重腐蚀后重失重W0-W腐蚀面积m2 g/m2*h 腐蚀速度腐蚀深度mm/h

3、根据实验数据绘制各试验材料在试验溶液中的φ－t曲线，如下： 碳钢在NaOH中：

-0.3501234567891011121314-0.37-0.39-0.41系列1-0.43-0.45-0.47-0.4915 碳钢在NaCl中：

-0.402.557.51012.51517.52022.52527.53032.53537.54042.5-0.45-0.5系列1-0.55-0.6-0.65 4、ph测定及铜的相对标准电位测定：

ph测定： H2SO4溶液,ph试纸，反应前:1 NaOH溶液,ph试纸，反应前：13

NaCl溶液，碳钢腐蚀，反应前：4.93 NaCl溶液，碳钢腐蚀，反应后：5.50 φ： Cu，CuSO4溶液：0.064 Cu，NaCl 溶液：-0.228

5、综合分析影响金属材料环境失效的主要腐蚀因素。

通过本实验可以较明确发现，溶液本身的性质和溶液pH值对腐蚀有较明确的影响。

pH值：ph值对腐蚀的方式和速度都有很大的影响，pH较小的酸性溶液易发生析氢腐蚀，腐蚀速度快，腐蚀现象明显；而pH较大的碱性溶液，发生吸氧腐蚀，钝化作用明显加强，腐蚀速度慢，腐蚀不明显；对于中性溶液，仅发生微弱的腐蚀作用，现象更加不明显。

溶液性质：NaCl溶液对碳钢腐蚀，电位向“负”变化，表面保护膜被破坏，但这个过程在较短的时间内就完成，之后的改变逐步减慢，腐蚀速度大大降低，在短时间内容甚至无法观察出电位变化。而对于NaOH腐蚀碳钢的过程中，电位向“正”向变化，明阳极表面膜的保护能力得到加强。这个过程前期反应快，后期反应减慢，但从图像中观察发现，这个反应过程速度基本不变，不断进行着腐蚀的过程。在实验结束时，也没有明确的减慢速度的现象。因此：溶液性质对腐蚀过程有很大影响。

七、思考题

1. 何谓失重法？在什么情况下用重量法测定腐蚀速度？ 答：失重法及试验金属在一定的条件下的腐蚀介质中，腐蚀一定时间的作用后比较腐蚀前后该材料的重量变化以确定腐蚀速度的方法。失重法适用于均匀腐蚀。

2. 浸泡实验时为什么要保证试样面积与溶液体积之比？放太多的试样或同时放几种不同类金属对腐蚀速率测定有何影响？ 答：保证试样面积与溶液体积之比是为了在腐蚀过程中腐蚀环境能保持基本稳定，是腐蚀速度维持均一。放太多试样或同时放几种不同类金属可能会在腐蚀过程中，引起环境条件的严重改变，使腐蚀条件前后不一，无法获得准确有效的实验数据。 3. 影响金属材料环境失效的主要腐蚀因素是什么？

答：腐蚀环境本身的物质，ph值，温度，流速，微生物等。

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